DE102014105414A1

DE102014105414A1 - Method for generating a plasma

Info

Publication number: DE102014105414A1
Application number: DE102014105414.8A
Authority: DE
Inventors: Fred Fietzke; Heidrun Klostermann; Ralf Blüthner
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2014-04-16
Filing date: 2014-04-16
Publication date: 2015-11-05

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen eines Plasmas, bei dem innerhalb einer Vakuumkammer (2) eine Materialquelle (5) angeordnet und diese derart ausgebildet wird, dass die Materialquelle einen Hohlraum umschließt und mindestens eine Mündungsöffnung (5) aufweist, wobei mittels einer die Materialquelle (4) umschließenden Einrichtung (9) ein Magnetfeld erzeugt und eine Stromversorgungseinrichtung (6) elektrisch leitend mit der Materialquelle (4) verbunden wird, wodurch die Materialquelle (4) als Katode einer Glimmentladung agiert. Die Einrichtung (9) wird dabei derart ausgebildet, dass das durch sie erzeugte Magnetfeld bezüglich seiner senkrecht zur Mündungsöffnung (5) verlaufenden Komponente einen magnetischen Nullpunkt vor der Mündungsöffnung (5) der Materialquelle (4) aufweist. Ferner wird die Stromversorgungseinrichtung (6) gepulst betrieben, wobei die Puls-Ein-Zeit maximal 5 % eines Pulszyklus beträgt und die Pulsstromdichte bezogen auf die Fläche der Mündungsöffnung größer als 10 A/cm2 eingestellt wird.The invention relates to a method for producing a plasma, wherein within a vacuum chamber (2) a material source (5) is arranged and formed such that the material source encloses a cavity and at least one orifice (5), wherein by means of a material source (4) enclosing device (9) generates a magnetic field and a power supply device (6) is electrically conductively connected to the material source (4), whereby the material source (4) acts as a cathode of a glow discharge. The device (9) is designed such that the magnetic field generated by it with respect to its perpendicular to the mouth opening (5) extending component has a magnetic zero point in front of the mouth opening (5) of the material source (4). Furthermore, the power supply device (6) is operated pulsed, wherein the pulse-on time is a maximum of 5% of a pulse cycle and the pulse current density is adjusted to be greater than 10 A / cm 2 based on the area of the orifice.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen eines Plasmas innerhalb einer Vakuumkammer, das zum Beschichten, Vorbehandeln oder Ionenimplantieren von Substraten verwendet werden kann. The invention relates to a method for generating a plasma within a vacuum chamber that can be used for coating, pretreating or ion implanting substrates.

Stand der Technik State of the art

Es ist bekannt, stationär angeordnete oder sich bewegende Substrate in einer Vakuumkammer durch Katodenzerstäubung (sputtering) zu beschichten. Eine besonders effiziente Art der Katodenzerstäubung stellt das in US 3,956,093 beschriebene Planar-Magnetron-Sputtern dar, bei dem die Intensität der Entladung und damit die Plasmadichte durch den Einschluss der Elektronen in gekreuzten elektrischen und magnetischen Feldern deutlich erhöht wird. Nichtsdestotrotz bleibt der Ionisierungsgrad der schichtbildenden Teilchen im Bereich weniger Prozent, was das Magnetron-Sputtern in vielen Anwendungsbereichen, wie beim Verschleißschutz-Beschichten oder dem Erzeugen von Schichten mit spezieller Kristallstruktur, anderen Abscheideverfahren wie beispielsweise Bogen-Verdampfen (arc evaporation) oder IBAD (ion beam assisted deposition) als unterlegen erscheinen lässt. It is known to coat stationary or moving substrates in a vacuum chamber by sputtering. A particularly efficient type of sputtering is the US 3,956,093 Planar magnetron sputtering described in which the intensity of the discharge and thus the plasma density is significantly increased by the inclusion of the electrons in crossed electric and magnetic fields. Nonetheless, the degree of ionization of the film-forming particles remains in the range of less than one percent, which is magnetron sputtering in many applications, such as wear-resistant coating or creating layers of particular crystal structure, other deposition techniques, such as arc evaporation or IBAD (ion beam assisted deposition) appears to be inferior.

Mit der Einführung der mittelfrequent gepulsten Energieeinspeisung in Magnetron-Sputterprozesse in unipolarer ( DE 37 00 633 C1 ) und bipolarer ( DD 252 205 B5 ) Ausführungsform war es möglich, die Vorteile höherer Plasmadichten und Ionisierungsgrade auszunutzen, ohne dabei die thermische Belastungsgrenze von Beschichtungseinrichtung und zu behandelndem Werkstück zu überschreiten. Aber auch bei diesem Verfahren liegt der Ionisierungsgrad der schichtbildenden Teilchen typischerweise unter 10 Prozent, während der Großteil der entstehenden Ionen aus dem Trägergas der Entladung (meist Argon) gebildet wird. With the introduction of medium-frequency pulsed energy input in magnetron sputtering processes in unipolar ( DE 37 00 633 C1 ) and bipolar ( DD 252 205 B5 ) Embodiment, it has been possible to exploit the advantages of higher plasma densities and ionization degrees without exceeding the thermal load limit of the coating device and the workpiece to be treated. But even with this method, the degree of ionization of the layer-forming particles is typically below 10 percent, while the majority of the resulting ions from the carrier gas of the discharge (usually argon) is formed.

Einen weiteren Fortschritt in Richtung höherer Plasmadichten stellte das in WO 98/40532 A1 beschriebene Hochenergie-Pulssputtern (high power impulse magnetron sputtering, HiPIMS) dar. Durch extrem kleine Tastgrade, d. h. Verhältnisse von Pulsdauer und Pulsperiodendauer, im Bereich von 1 % bis 10 % können während der Einschaltphase Plasmen mit hoher, für einige Materialien sogar nahezu vollständiger Ionisierung der schichtbildenden Teilchen erzeugt werden. Als Begleiteffekte werden Gasverdrängung, d. h. ein Abfall der Argon-Teilchendichte in der Nähe der Targetoberfläche, sowie Selbstsputtern, d. h. ein Abstäuben der Targetoberfläche durch Ionen aus dem eigenen Material, beobachtet. Als Quellen für HiPIMS-Prozesse werden üblicherweise kleine Planarmagnetrons herkömmlicher Bauart verwendet. Den zumeist sehr guten Eigenschaften der abgeschiedenen Schichten steht jedoch der grundsätzliche Nachteil einer gegenüber dem DC-Sputtern drastisch verringerten Abscheiderate gegenüber. Darüber hinaus ist die erzielbare Plasmadichte durch Elektronenverluste senkrecht zu den Feldlinien des magnetischen Einschlusses begrenzt. Further progress towards higher plasma densities was made in WO 98/40532 A1 High-power impulse magnetron sputtering (HiPIMS) is described by extremely small duty cycles, ie ratios of pulse duration and pulse duration in the range of 1% to 10%, during the switch-on phase plasmas with high, for some materials even almost complete ionization the layer-forming particles are generated. As accompanying effects gas displacement, ie a drop in the argon particle density in the vicinity of the target surface, as well as self-sputtering, ie a dusting of the target surface by ions from the own material, are observed. As sources for HiPIMS processes usually small Planarmagnetrons conventional design are used. However, the generally very good properties of the deposited layers are opposed by the fundamental disadvantage of a drastically reduced deposition rate compared to DC sputtering. In addition, the achievable plasma density is limited by electron losses perpendicular to the field lines of the magnetic confinement.

Eine alternative Ausführungsform von Magnetron-Sputterquellen stellen die sogenannten Hohlkatoden-Magnetrons (hollow cathode magnetron, HCM) dar. Dieser beispielsweise in US 5,482,611 A vorgestellte Quellentyp weist eine Katode mit topfförmigem Target auf, bei dem durch geeignete Gestaltung des Magnetsystems Material von den Seitenwänden abgetragen und unter Nutzung des Hohlkatoden-Effektes partiell ionisiert wird. Während sich nichtionisierte Metallatome vorwiegend auf der jeweils gegenüberliegenden Seitenwand niederschlagen, können entstandene Ionen durch überlagerte elektrische und magnetische Felder in Richtung Substrat geführt und dort zur Schichtbildung genutzt werden. Spätere Anmeldungen, z. B. US 6,179,973 B1 , beschreiben verfeinerte Magnetfeldgestaltungen zur besseren Kontrolle der Ladungsträgerströme, ohne jedoch das grundlegende Wirkprinzip des Hohlkatoden-Magnetrons zu verändern. Die Quellen werden mittels Gleichspannung betrieben und zur Metallisierung in der Halbleitertechnologie eingesetzt. Wesentlicher Nachteil ist der geringe erzielbare Wirkungsgrad, d. h. das Verhältnis zwischen extrahierbarem Ionenstrom und eingesetzter elektrischer Leistung. An alternative embodiment of magnetron sputtering sources is the so-called hollow cathode magnetron (HCM). This is described, for example, in US Pat US 5,482,611 A presented source type has a cathode with cup-shaped target, in which material is removed from the side walls by suitable design of the magnet system and partially ionized using the Hohlkatoden effect. While non-ionized metal atoms precipitate predominantly on the respective opposite side wall, resulting ions can be guided by superimposed electrical and magnetic fields in the direction of the substrate and used there for film formation. Later registrations, z. B. US 6,179,973 B1 , Refined magnetic field designs for better control of the carrier currents, but without changing the basic mode of action of the hollow cathode magnetron. The sources are DC powered and used for metallization in semiconductor technology. A major disadvantage is the low achievable efficiency, ie the ratio between extractable ion current and electrical power used.

Eine weitere Klasse von Sputterquellen mit einander gegenüberliegenden Targetflächen bilden die sogenannten Gasfluss-Sputterquellen. Sie sind in polygonaler ( DD 294 511 A5 ) oder planparalleler ( DE 42 35 953 C2 ) Ausführung bekannt und können mittels Gleichstrom oder gepulstem Gleichstrom ( DE 10 2008 022 145 A1 ) betrieben werden. Allen Ausführungsformen ist gemeinsam, dass zum Zwecke einer hohen Targetausnutzung auf Magnetsysteme verzichtet und das abgestäubte Material durch einen Inertgasstrom mit hoher Flussdichte zum Substrat transportiert wird. Aufgrund der damit verbundenen hohen Teilchendichte ist der Ionisierungsgrad gering und die erzielbaren Schichteigenschaften sind denjenigen konventionell gesputterter Schichten unterlegen. Another class of sputtering sources with opposing target surfaces form the so-called gas flow sputtering sources. They are in polygonal ( DD 294 511 A5 ) or plane-parallel ( DE 42 35 953 C2 ) Execution and can by means of direct current or pulsed direct current ( DE 10 2008 022 145 A1 ) operate. All embodiments have in common that dispensed with the use of magnetic systems for the purpose of high target utilization and the sputtered material is transported by an inert gas flow with high flux density to the substrate. Due to the associated high particle density, the degree of ionization is low and the achievable layer properties are inferior to those conventionally sputtered layers.

Aufgabenstellung task

Der Erfindung liegt daher das technische Problem zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, mittels dem die Nachteile aus dem Stand der Technik überwunden werden. Insbesondere soll beim erfindungsgemäßen Verfahren ein Plasma mit hohem Ionisierungsgrad erzeugt werden, aus welchem die Ionen gerichtet austreten und zum Beschichten, Vorbehandeln oder Dotieren von Substraten verwendet werden können. The invention is therefore based on the technical problem of providing a method by means of which the disadvantages of the prior art are overcome. In particular, in the method according to the invention, a plasma with a high degree of ionization is to be generated, from which the ions emerge in a directional manner and for coating, Pretreatment or doping of substrates can be used.

Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch die Gegenstände mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen. The solution of the technical problem results from the objects with the features of claim 1. Further advantageous embodiments of the invention will become apparent from the dependent claims.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren zum Erzeugen eines Plasmas wird innerhalb einer Vakuumkammer eine Materialquelle angeordnet und diese derart ausgebildet, dass die Materialquelle einen Hohlraum in mindestens einer Schnittebene vollständig umschließt und mindestens eine Mündungsöffnung aufweist. Die Mündungsöffnung und der Querschnitt der Materialquelle können beispielsweise kreisförmig ausgebildet werden, so dass die Materialquelle die Form eines Hohlzylinders aufweist. Alternativ kann die Mündungsöffnung und der Querschnitt der Materialquelle beispielsweise auch spaltförmig ausgebildet werden. In the method according to the invention for producing a plasma, a material source is arranged within a vacuum chamber and designed such that the material source completely encloses a cavity in at least one sectional plane and has at least one orifice opening. The mouth opening and the cross section of the material source may be formed, for example, circular, so that the material source has the shape of a hollow cylinder. Alternatively, the mouth opening and the cross section of the material source can also be formed, for example, in the shape of a slit.

Außerdem wird eine Einrichtung zum Erzeugen eines Magnetfeldes derart gestaltet, dass die Einrichtung die Materialquelle umschließt und Magnetfeldlinien erzeugt werden, die zumindest abschnittsweise parallel zur Mantelfläche der Materialquelle verlaufen. Des Weiteren wird eine Stromversorgungseinrichtung elektrisch leitend derart mit der Materialquelle verbunden, dass die Materialquelle als Katode einer Glimmentladung agiert, wodurch Materialpartikel von der inneren Oberfläche der Materialquelle abgetragen werden. In addition, a device for generating a magnetic field is designed such that the device surrounds the material source and magnetic field lines are generated, which extend at least in sections parallel to the lateral surface of the material source. Furthermore, a power supply device is electrically conductively connected to the material source so that the material source acts as a cathode of a glow discharge, whereby material particles are removed from the inner surface of the material source.

Insofern gleicht das erfindungsgemäße Verfahren zunächst einmal denjenigen Verfahren, wie sie vom Hohlkatoden-Sputtern bekannt sind und grenzt sich aber auch bereits von denjenigen Verfahren ab, bei denen ein Plasma mittels einer Bogenentladung gezündet und aufrechterhalten wird, wie beispielsweise bei Erzeugen eines Hohlkatoden-Bogenentladungsplasmas. In this respect, the method according to the invention first of all resembles those methods known from hollow cathode sputtering, but also already distinguishes itself from those methods in which a plasma is ignited and maintained by means of an arc discharge, as for example when generating a hollow cathode arc discharge plasma.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird die Einrichtung ferner derart ausgebildet, dass das durch sie erzeugte Magnetfeld bezüglich seiner senkrecht zur Fläche der Mündungsöffnung verlaufenden Komponente einen magnetischen Nullpunkt vor der Mündungsöffnung der Materialquelle aufweist. Ein derartiges Magnetfeld kann beispielsweise mittels einer Kombination aus Permanentmagneten, die um die Materialquelle herum angeordnet werden, und einer oder mehreren Magnetspulen, welche die Materialquelle umschließen, erzeugt werden. In the method according to the invention, the device is further formed such that the magnetic field generated by it has a magnetic zero point in front of the mouth of the material source with respect to its component perpendicular to the surface of the orifice. Such a magnetic field can be generated, for example, by means of a combination of permanent magnets arranged around the material source and one or more magnetic coils enclosing the material source.

Bei einer Ausführungsform der Erfindung wird der Abstand des magnetischen Nullpunktes von der Mündungsöffnung kleiner eingestellt als das kleinste Maß, mit dem gegenüberliegende Wandungsabschnitte der Materialquelle voneinander beabstandet sind. Auf diese Weise werden Elektronenverluste innerhalb des von der Materialquelle umschlossenen Volumens minimiert. Ist die Materialquelle beispielsweise als kreisförmiger Hohlzylinder ausgebildet, so wird der Abstand des magnetischen Nullpunktes von der Mündungsöffnung des Hohlzylinders demzufolge kleiner eingestellt als der Innendurchmesser des Hohlzylinders. Bei einer alternativen Materialquelle mit einer spaltförmigen Mündungsöffnung wird der Abstand des magnetischen Nullpunktes von der Mündungsöffnung dann kleiner eingestellt als die Spaltbreite der Mündungsöffnung. In one embodiment of the invention, the distance of the magnetic zero point from the orifice is set smaller than the smallest amount, with the opposite wall portions of the material source are spaced from each other. In this way, electron losses within the volume enclosed by the material source are minimized. If the material source is designed, for example, as a circular hollow cylinder, then the distance of the magnetic zero point from the mouth opening of the hollow cylinder is set smaller than the inner diameter of the hollow cylinder. In an alternative material source with a gap-shaped mouth opening, the distance of the magnetic zero point from the mouth opening is then set smaller than the gap width of the mouth opening.

Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich außerdem dadurch aus, dass eine mit der Materialquelle elektrisch verbundene Stromversorgungseinrichtung zum Erzeugen einer Glimmentladung gepulst betrieben wird, wobei die Puls-Ein-Zeit maximal 5 % eines Pulszyklus beträgt und die Pulsstromdichte bezogen auf der Fläche der Mündungsöffnung der Materialquelle größer als 10 A/cm² eingestellt wird. The method according to the invention is also characterized in that a power supply device electrically connected to the material source is pulsed to produce a glow discharge, the pulse on time being at most 5% of a pulse cycle and the pulse current density being greater relative to the area of the mouth opening of the material source is set as 10 A / cm ² .

Ausführungsbeispiel embodiment

Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Die Fig. zeigen: The present invention will be explained in more detail with reference to embodiments. The figures show:

1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Ausführen des erfindungsgemäßen Verfahrens; 1 a schematic representation of an apparatus for carrying out the method according to the invention;

2 eine schematische Querschnittsdarstellung einer Materialquelle; 2 a schematic cross-sectional view of a material source;

3 eine schematische Querschnittsdarstellung einer alternativen Materialquelle; 3 a schematic cross-sectional view of an alternative material source;

4 grafisch dargestellte Zeitverläufe von Entladungs- und Biasstrom; 4 graphically displayed time profiles of discharge and bias current;

5 grafisch dargestellte Zeitverläufe von Plasmaemissionslinien. 5 graphically displayed time profiles of plasma emission lines.

In 1 ist eine Vorrichtung 1 schematisch dargestellt, mittels der das erfindungsgemäße Verfahren ausführbar ist. Innerhalb einer Vakuumkammer 2 wurden ein zu bearbeitendes Substrat 3 und eine dem Substrat gegenüberliegende Materialquelle 4 angeordnet. Die Materialquelle 4 wurde als kreisförmiger Hohlzylinder mit einer Bodenwandung und einer Mündungsöffnung 5 ausgebildet, wobei die Mündungsöffnung 5 in Richtung einer zu bearbeitenden Substratoberfläche ausgerichtet ist. Die Materialquelle 4 ist in 2 als schematische Querschnittsdarstellung abgebildet und weist einen Innendurchmesser „d“ auf. Wie bereits vorhergehend angegeben, kann die Materialquelle zum Ausführen des erfindungsgemäßen Verfahrens auch eine von einem kreisförmigen Hohlzylinder abweichende Form aufweisen. In 3 ist der Querschnitt einer alternativen Materialquelle 13 mit spaltförmiger Mündungsöffnung und spaltförmigem Querschnitt mit der jeweiligen Spaltbreite „b“ schematisch dargestellt. Materialquellen mit spaltförmigem Querschnitt sind besonders zum Bearbeiten von großflächigen bzw. bandförmigen Substraten geeignet, wobei die Länge des Querschnittsspaltes an die Breite des zu bearbeitenden Substrates angepasst werden kann, so dass lediglich eine einzige Plasmaquelle für das dynamische Bearbeiten eines solchen Substrates benötigt wird, um die gesamte Breite des Substrates in einem Durchlauf mit dem Plasma zu beaufschlagen. Der Spaltlänge selbst sind dabei nahezu keine Grenzen gesetzt. Limitiert wird die Spaltlänge einer Materialquelle ausschließlich durch die elektrischen Parameter der zugehörigen Pulsstromversorgungseinrichtung, welche eine Pulsstromdichte bezogen auf die Fläche der Mündungsöffnung der Materialquelle größer als 10 A/cm² bereitstellen muss. Beim Dimensionieren der Spaltbreite „b“ ist lediglich darauf zu achten, dass der Hohlkatodeneffekt wirksam wird. In 1 is a device 1 shown schematically, by means of which the inventive method is executable. Inside a vacuum chamber 2 became a substrate to be processed 3 and a material source opposite the substrate 4 arranged. The material source 4 was designed as a circular hollow cylinder with a bottom wall and a mouth opening 5 formed, wherein the mouth opening 5 is aligned in the direction of a substrate surface to be processed. The material source 4 is in 2 shown as a schematic cross-sectional view and has an inner diameter "d". As already stated above, the material source for carrying out the method according to the invention can also be one of a circular hollow cylinder have different shape. In 3 is the cross-section of an alternative material source 13 with a gap-shaped mouth opening and a gap-shaped cross section with the respective gap width "b" shown schematically. Material sources with a slit-shaped cross section are particularly suitable for processing large-area or strip-shaped substrates, wherein the length of the cross-sectional gap can be adapted to the width of the substrate to be processed, so that only a single plasma source for the dynamic processing of such a substrate is needed to the Apply the entire width of the substrate in one pass with the plasma. The gap length itself is almost unlimited. The gap length of a material source is limited exclusively by the electrical parameters of the associated pulse power supply device, which must provide a pulse current density based on the area of the mouth opening of the material source greater than 10 A / cm ² . When dimensioning the gap width "b" is only to ensure that the Hohlkatodeneffekt is effective.

Für das Ausbilden einer Materialquelle zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens können alle chemischen Elemente und Verbindungen verwendet werden, die auch bei bekanntem Magnetron-Sputtern als Materialien für ein Magnetron-Target eingesetzt werden. For the formation of a material source for carrying out the method according to the invention, it is possible to use all chemical elements and compounds which are also used in known magnetron sputtering as materials for a magnetron target.

Die Materialquelle 4 aus 1 wird elektrisch leitend mit einer ersten Stromversorgungseinrichtung 6 verbunden und agiert auf diese Weise als Katode einer Glimmentladung, wodurch unter Ausnutzung des Hohlkatodeneffekts Materialpartikel von der Innenwandung der Materialquelle 4 abgestäubt und zumindest teilweise ionisiert werden. Im Ausführungsbeispiel gemäß 1 ist die Vakuumkammer 2 als Anode für diese Glimmentladung mit der Stromversorgungseinrichtung 6 elektrisch leitend verbunden. Alternativ kann aber auch eine separate Elektrode, welche ein von der Vakuumkammer 2 abweichendes Spannungspotenzial aufweist, als Anode für diese Glimmentladung verwendet werden. The material source 4 out 1 becomes electrically conductive with a first power supply device 6 connected and acts in this way as the cathode of a glow discharge, whereby by utilizing the Hohlkatodeneffekts material particles from the inner wall of the material source 4 dusted and at least partially ionized. In the embodiment according to 1 is the vacuum chamber 2 as an anode for this glow discharge with the power supply device 6 electrically connected. Alternatively, however, a separate electrode, which is one of the vacuum chamber 2 has different voltage potential can be used as the anode for this glow discharge.

Für das Zünden und Aufrechterhalten eines Glimmentladungsplasmas sind bekanntlich Ionen erforderlich, die beispielsweise beim Magnetron-Sputtern mittels eines Arbeitsgases, dessen Partikel ionisiert werden, zur Verfügung gestellt werden. Auch beim erfindungsgemäßen Verfahren ist die Anwesenheit eines Arbeitsgases in der Vakuumkammer 2 zumindest für das Zünden eines Glimmentladungsplasmas erforderlich. Als Arbeitsgas können alle vom Magnetron-Sputtern her bekannten Arbeitsgase verwendet werden. Bei einigen für das Ausbilden der Materialquelle 4 geeigneten chemischen Elementen und Verbindungen – wie beispielsweise Aluminium – ist es hinreichend, wenn ein Arbeitsgas – wie beispielsweise Argon – in die Vakuumkammer 2 eingelassen wird und Arbeitsgasmoleküle durch die Mündungsöffnung 5 in das von der Materialquelle 4 umschlossene Volumen gelangen, um dort beim Zünden einer Glimmentladung ionisiert zu werden. Bei anderen Materialien – wie beispielsweise Kohlenstoff – ist ein stetiger Zufluss eines Arbeitsgases erforderlich, um ein Plasma innerhalb des von der Materialquelle umschlossenen Volumens zu zünden und aufrechtzuerhalten. Bei letztgenannten Ausführungsbeispielen ist es vorteilhaft, wenn die Bodenwandung der Materialquelle 4 einen Einlass 7 aufweist, durch den ein Arbeitsgas direkt in den von der Materialquelle 4 umschlossenen Hohlraum strömen kann. Die Durchflussmenge durch den Einlass 7 kann mittels eines Ventils 8 eingestellt bzw. unter Inanspruchnahme bekannter Verfahrensschritte geregelt werden. For igniting and maintaining a glow discharge plasma, ions are known to be provided, for example, in magnetron sputtering by means of a working gas whose particles are ionized. Also in the method according to the invention is the presence of a working gas in the vacuum chamber 2 required at least for the ignition of a glow discharge plasma. As working gas all known from magnetron sputtering ago working gases can be used. In some, for forming the material source 4 suitable chemical elements and compounds - such as aluminum - it is sufficient if a working gas - such as argon - in the vacuum chamber 2 is admitted and working gas molecules through the mouth opening 5 in the material source 4 enclosed volumes arrive there to be ionized when igniting a glow discharge. Other materials - such as carbon - require a steady flow of working gas to ignite and maintain a plasma within the volume enclosed by the source of material. In the case of the last-mentioned embodiments, it is advantageous if the bottom wall of the material source 4 an inlet 7 through which a working gas directly into the source of material 4 enclosed cavity can flow. The flow rate through the inlet 7 can by means of a valve 8th be set or regulated by using known method steps.

Vorrichtung 1 aus 1 umfasst ferner eine die Materialquelle 4 umschließende Einrichtung 9 zum Erzeugen eines Magnetfeldes. Einrichtung 4 wird erfindungsgemäß derart ausgebildet, dass deren Magnetfeldlinien 10 in einigen Feldlinienabschnitten zumindest weitgehend parallel zur Mantelfläche der Materialquelle 4 verlaufen und dass die Magnetfeldkomponente in Richtung der rotationssymmetrischen Achse der zylinderförmigen Materialquelle 4 einen Nullpunkt 11 vor der Mündungsöffnung 5 aufweist. Der Abstand dieses magnetischen Nullpunktes 11 von der Fläche der Mündungsöffnung 5 wurde kleiner gewählt als der Innendurchmesser „d“ der Materialquelle 4. Das Austreten von Elektronen aus dem von der Materialquelle 4 umschlossenen Volumen wird auf diese Weise behindert, wodurch im von der Materialquelle 4 umschlossenen Volumen eine hohe Anzahl Elektronen für das Ionisieren von Partikeln erhalten bleibt. contraption 1 out 1 further includes a material source 4 enclosing facility 9 for generating a magnetic field. Facility 4 is inventively designed such that their magnetic field lines 10 in some field line sections at least substantially parallel to the lateral surface of the material source 4 run and that the magnetic field component in the direction of the rotationally symmetric axis of the cylindrical material source 4 a zero point 11 in front of the mouth 5 having. The distance of this magnetic zero 11 from the surface of the mouth opening 5 was chosen smaller than the inner diameter "d" of the material source 4 , The leakage of electrons from that of the material source 4 enclosed volume is obstructed in this way, causing in the material source 4 enclosed volume a high number of electrons for the ionization of particles is maintained.

Einrichtung 9 besteht aus einer Vielzahl von Permanentmagneten, die ringförmig um die Materialquelle 4 herum angeordnet sind, sowie aus einer Magnetspule, welche die Materialquelle umschließt. Mittels der Einrichtung 9 wird ein Magnetfeld erzeugt, welches parallel zu der Innenwandung der Materialquelle 4 eine Feldstärke von über 30 mT aufweist. Für das erfindungsgemäße Verfahren ist es aber hinreichend, wenn parallel zur Innenwandung der Materialquelle eine Magnetfeldstärke von mindestens 10 mT erzeugt wird. Facility 9 consists of a large number of permanent magnets that ring around the material source 4 are arranged around, as well as from a magnetic coil which surrounds the material source. By means of the device 9 a magnetic field is generated which is parallel to the inner wall of the material source 4 has a field strength of over 30 mT. For the method according to the invention, however, it is sufficient if a magnetic field strength of at least 10 mT is generated parallel to the inner wall of the material source.

Stromversorgungseinrichtung 9 kann maximale Pulsströme von 1000 A bei Spannungen von bis zu 1000 V bereitstellen und verfügt über Einrichtungen zum schnellen Erkennen und Abschalten unerwünschter Bogenentladungen. Für das zu 1 beschriebene Ausführungsbeispiel werden Pulse mit einer Pulsdauer (Puls-Ein-Zeit) von 150 μs, einer Pulsperiodendauer von 20 ms sowie einer Spannung von 650 V erzeugt. Power supply means 9 can provide maximum pulse currents of 1000A at voltages up to 1000V, and has facilities for quickly detecting and eliminating unwanted arc discharges. For that too 1 described embodiment pulses are generated with a pulse duration (pulse-on-time) of 150 microseconds, a pulse period of 20 ms and a voltage of 650 volts.

Alternativ können zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens Pulse mit einer Pulslänge der elektrischen Glimmentladung zwischen 30 μs und 1000 μs, vorzugsweise zwischen 100 μs und 300 μs, mit einer Puls-Wiederholfrequenz der elektrischen Glimmentladung zwischen 1 Hz und 1000 Hz, vorzugsweise zwischen 10 Hz und 100 Hz, und mit einer Puls-Spannung der elektrischen Glimmentladung zwischen 100 V und 2500 V, vorzugsweise zwischen 400 V und 1000 V, eingestellt werden. Erfindungswesentlich ist, dass die Puls-Stromdichte der elektrischen Glimmentladung bezogen auf die Fläche der Mündungsöffnung 5 größer als 10 A/cm² eingestellt wird, um einen hohen Ionisierungsgrad des erzeugten Glimmentladungsplasmas zu erzielen. Alternatively, to carry out the method according to the invention pulses having a pulse length of the electric glow discharge between 30 microseconds and 1000 microseconds, preferably between 100 microseconds and 300 microseconds, with a pulse repetition frequency of the electric glow discharge between 1 Hz and 1000 Hz, preferably between 10 Hz and 100 Hz, and with a pulse voltage of the electric glow discharge between 100 V and 2500 V, preferably between 400 V and 1000 V, are set. Essential to the invention is that the pulse current density of the electric glow discharge with respect to the surface of the mouth opening 5 greater than 10 A / cm ^{2 is} set in order to achieve a high degree of ionization of the generated glow discharge plasma.

Mittels einer erfindungsgemäß betriebenen Vorrichtung gemäß 1 ist es möglich, ein Plasma mit sehr hohem Ionisierungsgrad zu erzeugen sowie einen fokussierten Ionenstrom zielgerichtet auf ein zu bearbeitendes Substrat 3 zu lenken. Dabei kann der fokussierte, auf das Substrat 3 ausgerichtete Ionenstrom zum Beschichten des Substrates 3 zum Vorbehandeln des Substrates 3 (wie beispielsweise dem Ionenätzen) oder zum Implantieren der Ionen in das Substrat 3 verwendet werden. By means of an inventively operated device according to 1 For example, it is possible to generate a plasma with a very high degree of ionization and a focused ion current targeted to a substrate to be processed 3 to steer. It can be focused on the substrate 3 aligned ionic current for coating the substrate 3 for pretreating the substrate 3 (such as ion etching) or to implant the ions into the substrate 3 be used.

Für das Verdichten einer Schicht bei einer Schichtabscheidung oder für das Implantieren der Ionen in ein Substrat 3 kann es erforderlich sein, die Ionen nach dem Verlassen des von der Materialquelle umschließenden Volumens einer zusätzlichen Beschleunigung zu unterziehen. Für diesen Zweck kann das Substrat 3 zum Beispiel mit einer zweiten Stromversorgungseinrichtung 12 elektrisch verbunden und mit einer Bias-Spannung beaufschlagt werden. Im zu 1 beschriebenen Ausführungsbeispiel einer Schichtabscheidung erzeugt die Stromversorgungseinrichtung 12 eine Bias-Gleichspannung von –50 V am Substrat 3, um die abgeschiedene Schicht zu verdichten. For compacting a layer in a layer deposition or for implanting the ions in a substrate 3 For example, it may be necessary to subject the ions to additional acceleration after leaving the volume surrounding the material source. For this purpose, the substrate 3 for example with a second power supply device 12 electrically connected and subjected to a bias voltage. Im too 1 described embodiment of a layer deposition generates the power supply device 12 a bias DC voltage of -50 V on the substrate 3 to densify the deposited layer.

In 4 sind oszillografisch gemessene Zeitverläufe von Entladungs- und Bias-Strom grafisch dargestellt. Bei diesen Messungen wurde ein 90 mm langer Hohlzylinder aus Aluminium mit einem Innendurchmesser von 30 mm als Materialquelle 4 verwendet. Dabei strömte als Arbeitsgas Argon durch den Einlass 7. In 4 Oscillographically measured time histories of discharge and bias current are shown graphically. In these measurements, a 90 mm long hollow cylinder made of aluminum with an inner diameter of 30 mm as the material source 4 used. Argon flowed through the inlet as a working gas 7 ,

Das Anstiegsverhalten des Entladungsstroms lässt sich in drei Phasen unterteilen. Phase I ist durch einen zunächst exponentiellen Stromanstieg charakterisiert, welcher schließlich in ein lineares Verhalten mündet. Die sich anschließende Phase II zeigt eine Verringerung des Stromanstiegs mit der Tendenz zu einem beginnenden Sättigungsverhalten. Phase III wiederum weist eine erneute Zunahme des Stromanstiegs auf, bis schließlich ein nahezu linearer Anstieg ohne Anzeichen von Sättigung erreicht wird. Das Ende des Stromanstiegs ist nur durch die vorgewählte Pulsdauer bzw. die Leistungsfähigkeit der Pulsstromversorgungseinrichtung 6 begrenzt. Der ebenfalls dargestellte Bias-Strom gibt dieses Zeitverhalten in leicht modifizierter Form wieder. Die Hauptunterschiede bestehen in einem verspäteten Einsetzen des Stromanstiegs sowie in dem langsamen exponentiellen Abklingen desselben nach Pulsende. The rise behavior of the discharge current can be subdivided into three phases. Phase I is characterized by an initially exponential current increase, which finally leads to a linear behavior. The subsequent Phase II shows a reduction in the current increase with the tendency for a beginning saturation behavior. In turn, Phase III shows a renewed increase in current increase until finally a nearly linear increase is achieved without signs of saturation. The end of the current increase is only by the preselected pulse duration or the performance of the pulse power supply device 6 limited. The bias current also shows this time behavior in slightly modified form. The main differences are a late onset of current increase and slow exponential decay after the end of the pulse.

Einen Ansatz zur Erklärung des beobachteten Verhaltens des Entladungsstroms liefern die in 5 grafisch dargestellten Zeitverläufe gemessener Intensitäten verschiedener Plasmaemissionslinien. Zunächst fällt auf, dass die bei bekannten Sputterprozessen dominierenden Linien von Ar-Atomen hier kaum beobachtet werden, wohingegen sofort zu Pulsbeginn ein starker Anstieg der Linien von Al-Atomen einsetzt, welcher die erste Phase der Entladung bestimmt. Dies deutet darauf hin, dass sich der Hohlraum der Materialquelle 4 schnell mit abgestäubten Al-Atomen füllt. Diese werden zunächst durch normales Sputtern mit Ar-Ionen und später zunehmend durch Selbstsputtern mit Al-Ionen freigesetzt. Nach etwa 30 bis 40 μs geht die Linienintensität der Al-Atome in Sättigung, was sich im Entladungsstrom als Übergang in Phase II widerspiegelt. Im weiteren Verlauf dieser Phase nimmt der Anteil der Al-Ionen mehr und mehr zu, bis diese schließlich das Teilchenensemble dominieren. Der fortwährende Anstieg der Linienintensität der Al-Ionen findet in Phase III der Entladungsstromkurve ihren Ausdruck. Die Bias-Stromkurve scheint in ihrem gesamten Verlauf durch Al-Ionen geprägt, wobei ein nennenswerter Teil der gebildeten Ionen auch nach Pulsende noch extrahiert werden kann. One approach to explain the observed behavior of the discharge current is provided in 5 graphically represented time profiles of measured intensities of different plasma emission lines. First of all, it is striking that the lines of Ar atoms dominating in known sputtering processes are hardly observed here, whereas immediately at the beginning of the pulse a strong increase in the lines of Al atoms sets in, which determines the first phase of the discharge. This indicates that the cavity of the material source 4 quickly filled with atomized Al atoms. These are first released by normal sputtering with Ar ions and later increasingly by self-sputtering with Al ions. After about 30 to 40 μs, the line intensity of the Al atoms saturates, which is reflected in the discharge current as a transition in phase II. In the further course of this phase, the proportion of Al ions increases more and more until they finally dominate the particle ensemble. The continuous increase in the line intensity of the Al ions is expressed in phase III of the discharge current curve. The bias current curve appears to be dominated by Al ions in its entire course, although a significant part of the ions formed can still be extracted after the end of the pulse.

Nicht nur bei Verwendung einer Materialquelle (4) aus Aluminium, sondern auch bei einer Materialquelle aus allen anderen geeigneten Materialien, zeichnet sich das mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens erzeugte Plasma dadurch aus, dass die Plasmaionen zu mindestens 50 % aus von der Materialquelle (4) abgestäubten Partikeln gebildet werden. Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird ein Arbeitsgas vorwiegend zum Zünden einer Glimmentladung benötigt. Aufrechterhalten wird diese dann durch Partikel, die mittels Selbstsputtern von der Materialquelle (4) abgestäubt werden. Not only when using a material source ( 4 ) made of aluminum, but also with a material source of all other suitable materials, the plasma generated by the method according to the invention is characterized in that the plasma ions to at least 50% from the material source ( 4 ) dusted particles are formed. In the method according to the invention, a working gas is needed primarily for igniting a glow discharge. This is then maintained by particles which are self-sputtered from the material source ( 4 ) are dusted off.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

US 3956093 [0002]
DE 3700633 C1 [0003]
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WO 98/40532 Al [0004]
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DD 294511 A5 [0006]
DE 4235953 C2 [0006]
DE 102008022145 A1 [0006]

Claims

Method for producing a plasma, in which within a vacuum chamber ( 2 ) a material source ( 5 ) and this is formed such that the material source encloses a cavity and at least one orifice ( 5 ), wherein by means of a material source ( 4 ) ( 9 ) generates a magnetic field and a power supply device ( 6 ) electrically conductive with the material source ( 4 ), whereby the material source ( 4 ) acts as a cathode of a glow discharge, characterized in that a) the device ( 9 ) is formed such that the magnetic field generated by it with respect to its perpendicular to the mouth opening ( 5 ) extending component a magnetic zero point in front of the mouth opening ( 5 ) of the material source ( 4 ) having; b) the power supply device ( 6 ) is operated pulsed, wherein the pulse-on time is a maximum of 5% of a pulse cycle and the pulse current density based on the area of the orifice is set greater than 10 A / cm ² .

A method according to claim 1, characterized in that the mouth opening ( 5 ) of the material source ( 4 ) is formed circular.

A method according to claim 1, characterized in that the mouth opening of the material source ( 13 ) is formed in a gap shape.

A method according to claim 1, characterized in that the distance of the magnetic zero point ( 11 ) from the mouth opening ( 5 ) is chosen smaller than the smallest dimension, with the opposite wall sections of the material source ( 4 ) are spaced from each other.

A method according to claim 4, characterized in that at least 50% of the plasma ions are formed from particles sputtered from the material source.

A method according to claim 1, characterized in that the maximum value of the magnetic field strength parallel to the side walls of the material source ( 4 ) greater than 10 mT, preferably greater than 30 mT.

A method according to claim 1, characterized in that the pulse length of the electrical glow discharge between 30 microseconds and 1000 microseconds, preferably between 100 microseconds and 300 microseconds, is set.

A method according to claim 1, characterized in that the pulse repetition frequency of the electrical glow discharge between 1 Hz and 1000 Hz, preferably between 10 Hz and 100 Hz, is set.

A method according to claim 1, characterized in that the pulse voltage of the electrical glow discharge between 100 V and 2500 V, preferably between 400 V and 1000 V is set.